Minerals of the chevkinite group in differentiated basic-ultrabasic intrusions from western slope of the Southern Urals

Full Text

Минералы группы чевкинита представляют собой моноклинные орто-диортосиликаты редкоземельных элементов, титана и железа с содержанием REE₂O₃ до ~50 мас. %. Кроме того, известны минералы с преобладанием Mg, Al, Mn, Cr, Sr или Zr в одной из катионных позиций. Минералы группы обнаружены в различных магматических (Macdonald, Belkin, 2002; Troll et al., 2003; Vlach, Gualda, 2007; Bagińsk, Macdonald, 2013; Macdonald et al, 2019; Спиридонов и др., 2019; Domańska-Siuda et al., 2022) и метаморфических (Belkin et al., 2009; Macdonald et al., 2015) породах, включая лунные базальты (Muhling et al., 2014). По данным Р. Макдональда с соавторами минералы группы чевкинита могут образовываться в диапазоне давлений от 50 до 10 и менее кбар, в широком диапазоне температур (Macdonald et al., 2019).

В статье сообщается о находке минералов группы чевкинита, впервые обнаруженных в дифференцированных интрузиях базит-гипербазитового состава западного склона Южного Урала.

Методы исследований

Минералы были изучены на сканирующем электронном микроскопе Tescan Vega Compact c энерго-дисперсионным анализатором Xplorer Oxford Instruments (ИГ УФИЦ РАН, Уфа). Обработка спектров производилась автоматически при помощи программного пакета AzTec One с использованием методики TrueQ. Условия съемки: ускоряющее напряжение 20 кВ, ток зонда 4 нА, время накопления спектра в точке 60 с в режиме Point&ID, диаметр пучка составлял ~3 мкм. При анализе использовался встроенный комплект эталонов Oxford Instruments Standards, представленный природными и синтетическими соединениями.

 

Рис. 1. Структурная схема Урала (а), геологические схемы тараташского комплекса (б) и участка «Магнитный» с телами пород мисаелгинского комплекса (в).

Мегазоны Урала: 1 — Предуральская; 2 — Западно-Уральская, 3 — Центрально-Уральская, 4 — Тагильская, 5 — Магнитогорская, 6 — Восточно-Уральская; 7 — отложения айской свиты (RF₁); 8 — архей-протерозойские отложения нерасчлененные; 9 — тектонические зоны с бластомилонитами; 10 — разновозрастные дайки базитов; 11 — мигматиты; 12 — гранат-биотитовые гнейсы; 13 — расслоенные тела мисаелгинского комплекса.

Fig. 1. Structural scheme of the Urals (a), geological schemes of the Taratash complex (б) and the «Magnitny» site with rock bodies of the Misaelga complex (в).

Megazones of the Urals: 1 — Cis-Urals; 2 — West Ural, 3 — Central Ural, 4 — Tagil, 5 — Magnitogorsk, 6 — East Ural; 7 — deposits of the Ai Formation (RF₁); 8 — undivided Archean-Proterozoic deposits; 9 — tectonic zones with blastomylonites; 10 — uneven-aged mafic dikes; 11 — migmatites; 12 — garnet-biotite gneisses; 13 — layered bodies of the Misaelga.

 

Концентрации редкоземельных элементов (РЗЭ) определены методом ICP-MS в ЦИИ Института Карпинского (г. Санкт-Петербург). Методика анализа обеспечивает с надежностью 95 % получение результатов анализа с погрешностью, не превышающей значений, приведенных в ОСТ 41-08-214-04 для III категории точности. Анализ подготовленных растворов проводили на приборах ELAN-6100 DRC и Agilent 7700 с использованием компьютерной программы обработки данных TOTALQUANT. Формулы минералов рассчитывались по методике (Булах, 1967; Кривовичев, Гульбин, 2022). Расчет выполнен на 22 атомах кислорода.

Результаты исследований

Мисаелгинский комплекс является одним из представителей дифференцированных интрузий западного склона Южного Урала (Алексеев, 1984; Ковалев, 2011; Сазонова и др., 2011; Носова и др., 2012). В его состав входят два тела мощностью 45 и более 216 м, расположенных в юго-западной части тараташского метаморфического комплекса (рис. 1). В сложении тел участвуют: порфировидные оливиновые долериты (в эндоконтактовых зонах), среднезернистые оливиновые пироксениты, габбро-долериты и феррогаббро-долериты. В интрузиве выделены следующие горизонты (снизу вверх): нижняя эндоконтактовая зона мощностью около 2 м, ультраосновной горизонт (110—112 м) и габбровый горизонт (100— 110 м).

Нижняя эндоконтактовая зона сложена порфировидными оливиновыми долеритами со среднезернистной порфировидной структурой и массивной текстурой. В состав пород входят оливин, ортопироксен, клинопироксен, плагиоклаз, бурая роговая обманка, биотит, магнетит, титаномагнетит, ильменит, сульфиды, апатит, титанит.

Ультраосновной горизонт представлен среднезернистыми оливиновыми пироксенитами и вебстеритами, микроструктурные особенности и минеральный состав которых изменяются (постепенно) в зависимости от местоположения в разрезе. В составе пород установлены оливин, ортопироксен, клинопироксен, плагиоклаз, амфибол, биотит, апатит, магнетит, ильменит (пикроильменит), хромшпинелид (хроммагнетит), сульфиды (халькопирит, пирротин, пентландит, зигенит). Ассоциация вторичных минералов включает актинолит, серпентин, тальк, хлорит, серицит, карбонат и тонкодисперсный магнетит. Для нижней части горизонта характерны породы с пойкилитовой структурой, в них часто присутствуют скопления оливина, образующие гломеропорфировые выделения (рис. 2). Далее вверх по разрезу преобладают породы с гипидиоморфнозернистой структурой (с элементами порфировидной структуры). В качестве порфировидных вкрапленников выступают кристаллы ортопироксена. Изменение минерального состава снизу вверх по разрезу заключаются в закономерном уменьшении количества оливина и ортопироксена.

Габбровый горизонт сложен типичными габбро, феррогаббро-долеритами, более лейкократовыми разновидностями пород (до жильных плагиогранитов). Структура пород меняется от порфировидной до офитовой, гипидиоморфнозернистой — габбровой (в прожилковых плагиогранитах — гипидиоморфнозернистой гранитовой). Минеральный состав: клинопироксен, плагиоклаз, амфибол, биотит, магнетит, титаномагнетит, сульфиды (халькопирит, галенит, сфалерит, при преобладании пирита), апатит, циркон. В верхних частях тела присутствуют прожилки плагиогранитного состава мощностью 5—10 см, сложенные плагиоклазом (альбитом, олигоклазом) в количестве до 40—60 %, редким микроклином, серицитом, магнетитом, апатитом и кварцем.

 

Рис. 2. Разрез и микрофотографии шлифов пород мисаелгинского комплекса.

1 — оливин, 2 — клинопироксен, 3 — ортопироксен, 4 — плагиоклаз, 5 — рудные минералы.

Fig. 2. Cross section and thin sections of rocks of the Misaelga Complex.

1 — olivine, 2 — clinopyroxene, 3 — orthopyroxene, 4 — plagioclase, 5 — ore minerals.

 

Минералы группы чевкинита (табл. 1) обнаружены в породах габбрового горизонта в виде хорошо ограненных кристаллов призматического или уплощенно-призматического габитуса (рис. 3, а, б), удлиненно-ксеноморфных и изометрично-ксеноморфных выделений (рис. 3, в, д) размером до 50 мкм по удлинению. Минералы образуют включения в зернах амфибола или биотита. Они наблюдаются также в интерстициальном пространстве, выполненном кварц-полевошпатовым либо кварцевым материалом. Очень часто по периферии кристаллы замещаются алланитом (рис. 3, а, в—д) и в одном случае — титанитом (рис. 3, б). Ранее, в ультраосновном горизонте этого тела были обнаружены монацит-(Се), алланит-(Се) и РЗЭ-содержащий эпидот (Ковалев, Ковалев, 2023). Как видно из приведенных микрофотографий, монацит-(Се) присутствует и в породах габбрового горизонта (рис. 3, е).

 

Рис. 3. Микрофотографии минералов группы чевкинита в породах мисаелгинского комплекса.

chv — минералы группы чевкинита, all — алланит, amf — амфибол, bi — биотит, ttn — титанит, mgt — магнетит, ilm — ильменит, pl — плагиоклаз (олигоклаз), q — кварц.

Fig. 3. Micrographs of chevkinite group minerals in rocks of the Misaelga complex.

chv — minerals of the chevkinite group, all — allanite, amf — amphibole, bi — biotite, ttn — titanite, mgt — magnetite, ilm — ilmenite, pl — plagioclase (oligoclase), q — quartz.

 

Обсуждение результатов

Ранее было показано, что распределение редкоземельных элементов в породах мисаелгинского комплекса характеризуется определенным своеобразием. Так, степень фракционирования РЗЭ (среднее для габброидов: La_n/Lu_n 10.7, Ce_n/Yb_n 9.1; среднее для пироксенитов: 8.2, 7.3 соответственно), а также фракционирование легкой (La_n/Sm_n для габброидов — 2.2, пироксенитов — 2.0) и тяжелой (Gd_n/Yb_n для габброидов — 3.28, для пироксенитов — 3.06) групп, свидетельствует об «инертном» поведении РЗЭ при внутрикамерной дифференциации расплава. Лишь на заключительных этапах остаточный расплав плагиогранитного состава резко обогащается всей группой РЗЭ (Ковалев, Ковалев, 2021). Поскольку в ультраосновном горизонте большая часть РЗЭ входит в состав клинопироксена, редкоземельная минерализация в пироксенитах и вебстеритах встречается редко и представлена в основном мелкими выделениями монацита, алланита-(Се) и РЗЭ-содержащего эпидота (Ковалев, Ковалев, 2023). В габбровом горизонте, при сопоставимом количестве РЗЭ, клинопироксен встречается гораздо реже. В этих условиях становится возможным формирование более обильной и разнообразной редкоземельной минерализации.

Согласно экспериментальным данным Т. Х. Грина и Н. Дж. Пирсона в обогащенных РЗЭ расплавах, варьирующих по основности от базальта до риолита, минералы группы чевкинита (МГЧ) кристаллизуются в диапазоне температур от 900 °C до 1050 °C в интервале давлений 7.5—20 кбар (Green, Pearson, 1988). По данным Р. Макдональда и Х. Белкина породы, содержащие МГЧ, формировались в диапазоне от 660 до 1000 °C и давлении от 1 до 4 кбар. При этом летучесть кислорода изменялась от значений более низких, чем буфер FMQ, до значений выше буфера NNO (Macdonald, Belkin, 2002).

 

Таблица 1. Химический состав минералов группы чевкинита (мас. %) из пород мисаелгинского комплекса

Table 1. Chemical composition of minerals of the chevkinite group (wt %) from rocks of the Misaelga complex

Компонент	Номер образца
	11620-201	11620-202	11620-203	11620-210	11620-211	11620-212	11620-219	11620-220	11620-221
SiO2	19.82	19.75	19.71	20.16	20.94	19.92	19.85	19.64	21.15
TiO2	18.05	17.99	18.16	18.08	17.58	18.31	19.11	18.61	15.16
ZrO2	0.93	1.14	1.29	–	0.61	0.43	0.58	–	–
Al2O3	2.87	3.14	3.02	3.56	4.02	3.48	3.36	3.28	5.12
FeO	2.79	2.69	2.67	2.52	2.38	2.43	2.40	2.74	2.74
Fe2O3	6.19	5.99	5.93	5.61	5.30	5.39	5.33	6.09	6.10
MgO	0.76	0.76	0.72	1.05	1.01	1.03	1.02	0.85	1.34
Sc2O3	–	–	–	–	0.20	0.28	0.23	0.20	–
La2O3	11.22	10.9	10.85	12.47	10.53	11.54	10.59	12.50	12.6
Ce2O3	22.31	22.07	21.64	23.11	20.74	21.94	21.89	23.13	23.31
Pr2O3	1.94	1.62	1.62	2.10	1.86	1.64	1.70	1.85	1.45
Nd2O3	6.95	6.33	6.51	6.02	5.69	6.17	6.27	5.66	5.36
Sm2О3	–	–	–	0.81	–	–	–	–	–
ThO2	–	–	–	0.40	–	0.47	–	–	0.48
CaO	4.20	4.56	4.76	3.95	5.52	4.53	4.85	3.91	3.59
Сумма	97.41	96.34	96.28	99.28	95.85	97.02	96.64	97.85	97.79
Коэффициенты в формулах (О = 22)
La	0.76	0.74	0.74	0.84	0.70	0.78	0.71	0.84	0.83
Ce	1.49	1.48	1.46	1.54	1.37	1.47	1.47	1.54	1.53
Pr	0.13	0.11	0.11	0.14	0.12	0.11	0.11	0.12	0.09
Nd	0.45	0.42	0.43	0.39	0.37	0.40	0.41	0.37	0.34
Sm	–	–	–	0.05	–	–	–	–	–
Th	–	–	–	0.02	–	0.02	–	–	0.02
Ca	0.82	0.90	0.94	0.77	1.07	0.89	0.95	0.76	0.69
Сумма	3.65	3.65	3.68	3.75	3.63	3.67	3.65	3.63	3.50
Sc	–	–	–	–	0.03	0.04	0.04	0.03	–
Zr	0.08	0.10	0.12	–	0.05	0.04	0.05	–	–
Al	0.25	0.31	0.27	0.42	0.65	0.40	0.35	0.28	0.86
Mg	0.21	0.21	0.20	0.28	0.27	0.28	0.28	0.23	0.36
Fe+2	0.43	0.41	0.41	0.38	0.36	0.37	0.37	0.42	0.41
Fe+3	1.90	1.84	1.82	1.70	1.60	1.65	1.63	1.85	1.82
Ti	2.48	2.49	2.51	2.47	2.39	2.53	2.63	2.55	2.04
Si	3.63	3.63	3.62	3.66	3.79	3.65	3.63	3.58	3.78
Al	0.37	0.37	0.38	0.34	0.21	0.35	0.37	0.42	0.22
Сумма	4.00	4.00	4.00	4.00	4.00	4.00	4.00	4.00	4.00

 

Таблица 1 (окончание)

Компонент	Номер образца
	11620-222	11620-223	11620-224	11620-247	11620-259	11620-260	11620-261	11620-269
SiO2	19.78	19.82	19.95	20.46	20.67	21.02	21.05	20.03
TiO2	16.99	17.3	18.42	18.39	18.6	18.49	18.57	17.91
ZrO2	–	–	–	1.39	0.67	–	0.73	0.48
Al2O3	4.45	4.1	3.38	3.43	3.33	3.47	3.65	3.37
FeO	2.38	2.43	2.57	2.39	2.58	2.67	2.52	2.67
Fe2O3	5.30	5.40	5.70	5.31	5.73	5.93	5.61	5.94
MgO	1.07	1.10	1.18	0.80	0.86	0.89	0.90	0.81
Sc2O3	0.16	–	0.16	0.26	0.30	0.23	0.34	0.26
Y2О3	–	–	–	–	0.74	–	–	–
La2O3	13.35	13.40	13.00	10.65	10.49	10.54	10.6	10.75
Ce2O3	24.14	24.29	22.49	22.05	22.7	22.39	22.10	22.29
Pr2O3	1.92	1.86	1.75	1.77	1.74	1.76	1.68	1.73
Nd2O3	5.65	5.52	5.28	6.96	6.81	7.02	6.59	6.92
Sm2О3	–	–	0.58	–	–	–	–	–
ThO2	–	–	–	–	0.39	–	–	–
CaO	3.18	3.39	4.28	4.77	4.31	4.36	4.65	4.29
Сумма	97.84	98.07	98.17	98.1	99.35	98.18	98.43	96.86
Коэффициенты в формулах (О = 22)
La	0.91	0.91	0.87	0.71	0.69	0.70	0.70	0.72
Ce	1.63	1.64	1.49	1.47	1.49	1.47	1.45	1.49
Pr	0.13	0.12	0.12	0.12	0.11	0.11	0.11	0.12
Nd	0.37	0.36	0.34	0.45	0.44	0.45	0.42	0.45
Sm	–	–	0.04	–	–	–	–	–
Y	–	–	–	–	0.07	–	–	–
Th	–	–	–	–	0.02	–	–	–
Ca	0.63	0.67	0.83	0.93	0.83	0.84	0.89	0.84
Сумма	3.67	3.70	3.69	3.68	3.65	3.57	3.57	3.62
Sc	0.03	–	0.03	0.04	0.05	0.04	0.05	0.04
Zr	–	–	–	0.12	0.06	–	0.06	0.04
Al	0.63	0.55	0.34	0.45	0.40	0.49	0.53	0.39
Mg	0.30	0.30	0.32	0.22	0.23	0.24	0.24	0.22
Fe+2	0.37	0.37	0.39	0.36	0.39	0.40	0.38	0.41
Fe+3	1.64	1.67	1.73	1.61	1.72	1.78	1.68	1.82
Ti	2.36	2.40	2.51	2.51	2.51	2.49	2.50	2.46
Si	3.66	3.66	3.62	3.72	3.70	3.76	3.76	3.66
Al	0.34	0.34	0.38	0.28	0.30	0.24	0.24	0.34
Сумма	4.00	4.00	4.00	4.00	4.00	4.00	4.00	4.00

 

Анализ химического состава силикатов и алюмосиликатов, слагающих дифференцированное тело мисаелгинского комплекса, позволил расчетными методами восстановить термобарические параметры кристаллизации расплава в промежуточной камере (Ковалев, Ковалев, 2021). В частности, установлено наличие высокотемпературных (1472 °C) интрателлурических кристаллов оливина, характеризующих условия магмогенерации в мантии и оливина, кристаллизующегося в условиях промежуточной камеры (1050—1183 °C). Рассчитанная температура кристаллизации пироксенов (1071—1073 °C) свидетельствует о том, что они кристаллизовались совместно с оливином основной массы пород. Установленные вариации Р–Т параметров для плагиоклаз-амфиболовой ассоциации (950—1045 °C, 4.0—7.4 кбар) и биотита (>700—800 °C) завершают количественную характеристику высокотемпературных процессов кристаллизации расплава.

Как уже говорилось, обнаруженные нами минералы группы чевкинита в породах мисаелгинского комплекса встречаются в виде включений в кристаллах амфибола и биотита (рис. 3). Это позволяет говорить о его ранней кристаллизации в диапазоне температур от ~800 °C до ~1050 °C, что в целом соответствует данным Т. Х. Грина и Н. Дж. Пирсона (Green, Pearson, 1988).

По литературным данным минералы группы чевкинита кристаллизуются в щелочной среде, в то время как алланит формируется в высокоглиноземистых породах (Vlach, Gualda, 2007). С учетом сказанного, упомянутое выше замещение МГЧ алланитом хорошо согласуется с процессами внутрикамерной дифференциации расплава, сформировавшего породы мисаелгинского комплекса. В частности, повышение щелочности остаточного расплава обусловлено ранней кристаллизацией оливина, пироксенов, плагиоклаза и отчасти амфибола, а формирование прожилков плагиогранитного состава на заключительных этапах становления массива свидетельствует об увеличение глиноземистости последних порций расплава. То есть увеличение щелочности делает возможным кристаллизацию минералов группы чевкинита, а глиноземистости — приводит к его замещению алланитом.

 

Рис. 4. Диаграмма T — lg fO₂ для сростков и структур распада ильменита и титаномагнетита из пород мисаелгинского комплекса.

1 — минералы габбрового горизонта; 2 — минералы пикритового горизонта. Буферы НМ и MW по (Myers, Eugster, 1983), QFM по (Berman, 1988), NNO по (Huebner, Sato, 1970).

Fig. 4. T–log fO2 diagram for intergrowths and exsolution microstructures of ilmenite and titanomagnetite from rocks of the Misaelga Complex.

1 — minerals of the gabbro horizon; 2 — minerals of the picrite horizon. HM and MW buffers after (Myers, Eugster, 1983), QFM buffer after (Berman, 1988), NNO buffer after (Huebner, Sato, 1970).

 

Парциальное давление кислорода, рассчитанное ¹ для сростков ильменита и титаномагнетита (821 °C, lg fO₂ = –12.7) и для структур распада (572 °C, lg fO₂ = –22.4) оказывается практически идентичным значениям, установленным в работе (Macdonald, Belkin, 2002). При этом снижение температуры при уменьшении фугитивности кислорода (рис. 4) свидетельствует о том, что расплав, сформировавший породы мисаелгинского комплекса, эволюционировал в закрытой по кислороду системе.

Выводы

1. Впервые на Урале в дифференцированной интрузии, расположенной в тараташском метаморфическом комплексе, обнаружена редкоземельная минерализация, представленная минералами группы чевкинита, что свидетельствует о многообразии процессов редкоземельного минералообразования при формировании дифференцированных тел базит-гипербазитового состава.
2. В процессе кристаллизационной дифференциации на заключительных этапах становления массива происходит увеличение щелочности и глиноземистости последних порций расплава, при которых становится возможной формирование обнаруженной минерализации в температурном интервале от ~800 °C до ~1050 °C и парциальном давлении кислорода lg fO₂ = –12.7 и ее последующее замещение алланитом.

Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта РНФ 23-27-00023.

 

1 Для расчетов использовалась программа ILMAT (Lepage, 2003). За конечный результат принимались данные, рассчитанные по модели (Lindsley, Spencer, 1982).

About the authors

S. G. Kovalev

Ufa Federal Research Centre RAS

Email: kovalev@ufaras.ru

Institute of Geology

Russian Federation, Ufa

S. S. Kovalev

Ufa Federal Research Centre RAS

Email: kovalev@ufaras.ru

Institute of Geology

Russian Federation, Ufa

A. A. Sharipova

Ufa Federal Research Centre RAS

Author for correspondence.
Email: kovalev@ufaras.ru

Institute of Geology

Russian Federation, Ufa

References

Supplementary files